光纤传感相位调制型光纤传感器资料重点

2020/10/7
13
应用光纤陀螺仪测量的基本难点是：对其元件、部件和系统的要求极为苛刻。 例如，为了检测出10-2º/h 的转速，使用长 L 为1km的光纤，光波波长为1μm， 光纤绕成直径为 10cm的线圈时，由Sagnac效应产生的相移Δφ为10-2 rad，而 经1km长光纤后的相移为6×109 rad，因此相对相移的大小为Δφ/ φ≈10-7。由 此可见所需检测精度之高，由于Sagnac光纤干涉仪集中体现了一般光纤干涉 仪中应考虑的所有主要问题，因此下面考虑的问题对其他光纤干涉仪也有重 要的参考价值。
由弹性力学可知，应力 σ 和应变 ε 之间的关系为：
2020/10/7
4
2020/10/7
5
3.1.2 温度应变效应
（详见第1章） 用Mach-Zehnder干涉仪等光纤干涉仪进行温度传感的原理与压力传感完全相 似。只不过这时引起干涉仪相位变化的原因是温度。对于一根长度为 L、折 射率为n的裸光纤，其相位随温度的变化关系为
这类光纤传感器的主要特点如下： 1. 灵敏度高 光学干涉法是已知最灵敏的探测技术之一。在光纤干涉仪中，由于使用了数 米甚至数百米以上的光纤，使它比普通的光学干涉仪更加灵敏。 2. 灵活多样 由于这种传感器的敏感部分由光纤本身构成，因此其探头的几何形状可按使 用要求而设计成不同形式。
2020/10/7
6
2020/10/7
7
3.2 光纤干涉仪的类型
3.2.1 Mach-Zehnder和Michelson光纤干涉仪
2020/10/7

8
Mach-Zehnder和Michelson光纤干涉仪都是双光束相位调制型光纤传感器 干涉仪。图3-1 是 M-Z 光纤干涉仪的原理图。由激光器发出的相干光，分别 送入两根长度基本相同的单模光纤（即M-Z光纤干涉仪的两臂），其一为探 测臂，另一为参考臂。从两光纤输出的两激光束叠加后将产生干涉效应。实 用 M-Z 光纤干涉仪的分光和合光由两个光纤定向耦合器构成，是全光纤化 的干涉仪，提高了它的抗干扰能力。 图3-2 是Michelson光纤干涉仪的原理图。实际上，用一个单模光纤定向耦合 器，把其中两根光纤相应的端面镀以高反射率膜，就可构成一个 Michelson 光纤干涉仪。其中一根作为参考臂，另一根作为传感臂。
2020/10/7
11
1. 基本原理 当环形光路相对于惯性空间有一转动 Ω 时（设 Ω 垂直于环路平面），对于 顺、逆时针传播的光，将产生一非互易的光程差。
式中：A是环形光路的面积；c为真空中的光速。 当环形光路由 N 圈单模光纤组成时，对应顺、逆时针光速之间的相位差为
2020/10/7
12
2. 优点和难点 和一般的陀螺仪相比较，光纤陀螺仪的优点如下： （1）灵敏度高 由于光纤陀螺仪可采用多圈光纤的办法，以增加环路所围面积（面积由A 变 成 NA，n是光纤圈数），这样就大大增加了相移的检测灵敏度，但不增加 仪器的尺寸。 （2）无转动部分 由于光纤陀螺仪被固定在被测的转动部件上，因而大大增加了其实用范围。 （3）体积小
一是保证同一模式的光叠加 ———为此要用单模光纤。虽然，采用多模光
纤也可得到干涉图样，但性能下降很多，信号检测也较困难。
二是为获得最佳干涉效应。，两相干光的振动方向必须一致 ——— 为此最
好采用“ 高双折射” 单模光纤。研究表明，光纤的材料，尤其是护套和外
包层的材料对光纤干涉仪的灵敏度影响极大。为了使光纤干涉仪对被测物理
式中：P11是纤芯的弹光系数；εz 是轴向应变；εr 则是径向应变。 如上所述，光纤一般是多层结构，故 εz扎和 εr 则之值与外层材料之特性有 关。设因温度的变化 ΔT 而引起的应变的变化为：
式中式中：a(i)是第i层材料的线热膨胀系数。
把式（3-72）020代/10入/7 前述应力应变的关系可得：
2020/10/7
9
由双光束干涉的原理可知，这两种干涉仪所产生的干涉场的干涉光强为
因此，当外界因素引起相对光程差 ΔL 或相对光程时延 Δt，传播的光频率 v 或光波长 λ 发生变化时，就会使m 发生变化，即引起干涉条纹的移动，由此 而感测相应的物理量。
而外界因素（温度、压力等）可直接引起干涉仪中的传感臂光纤的长度 L （对应于光纤的弹性变形）和折射率n（对应于光纤的弹光效应）发生变化。
量进行“ 增敏” ，，对非被测物理量进行“ 去敏” ，需对单模光纤进行特
殊处理，以满足测量不同物理量的要求。研究光纤干涉仪时，对所用光纤的
性能应予20以20特/10别/7 注意。
3
3.1.1 应力应变效应
（详见第1章） 外界因素（温度、压力等）可直接引起干涉仪中的传感臂光纤的长度 L（对 应于光纤的弹性变形）和折射率n（对应于光纤的弹光效应）发生变化，从 而造成在光纤中所传输光的相位发生变化。根据公式
2
3. 对象广泛 不论何种物理量，只要对干涉仪中的光程产生影响，就可用于传感。目前利 用各种类型的光纤干涉仪已研究成测量压力（包括水声）、温度、加速度、 电流、磁场、液体成分等多种物理量的光纤传感器。而且同一种干涉仪，常 常可以同时对多种物理量进行传感。
4. 特种光纤
在光纤干涉仪中，为获得干涉效应，应满足两个条件：
第3章 相位调制型光纤传感器
2020/10/7
1
3.1 相位调制型光纤传感器原理
利用外界因素引起的光纤中光波相位变化来探测各种物理量的传感器，称为 相位调制传感型光纤传感器。干涉型光纤传感器利用光纤作为相位调制元 件，构成干涉仪。主要通过被测场（参量）与光纤的相互作用，引起光纤 中传输光的相位变化（主要是光纤的应变所引起的光程变化）。
2020/10/7
10
3.2.2 Sagnac光纤干涉仪
1. 基本原理 在由同一光纤绕成的光纤圈中沿相反方向前进的两光波，在外界因素作用下 产生不同的相移。通过干涉效应进行检测，就是 Sagnac 光纤干涉仪的基本 原理。其最典型的应用就是转动传感，即光纤陀螺。由于它没有活动部件， 没有非线性效应和低转速时激光陀螺的闭锁区，因而非常有希望制成高性能 低成本的器件。图3-1 是Sagnac光纤干涉仪的原理图。用一长为 L的光纤， 绕成半径为 R 的光纤圈。一激光束由分束镜分成两束，分别从光纤两端输 入，再从另一端输出。两输出光叠加后将产生干涉效应，此干涉光强由光电 探测器检测。